减钾配施镁肥改善水稻群体质量并调控产量与品质

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Reduced potassium fertilization combined with magnesium application improves rice population quality and regulates grain yield and quality

　　

引言： 四川是杂交水稻主产区，稻田土壤普遍存在酸化及镁淋溶严重的问题，导致土壤有效镁含量偏低。过量施用钾肥会加剧钾镁吸收拮抗作用，加重缺镁症状，而盲目减钾则会加速植株衰老，损害水稻产量与品质。尽管镁参与光合作用和同化物转运，但关于减钾配合补镁对水稻生长及农艺表现的综合效应尚不明确。 方法： 研究人员采用两因素裂区设计，设置3个钾水平（0、120和180 kg/ha，分别记为K0、K1和K2）为主区，3个镁水平（0、30和60 kg/ha，分别记为M0、M1和M2）为副区，进行了为期两年的田间试验，考察不同钾镁组合下水稻产量、籽粒品质及养分吸收状况，旨在为四川丘陵地区绿色水稻生产提供施肥参考。本研究评估了叶面积指数、干物质积累量、叶绿素含量、产量构成因子及籽粒品质性状。 结果： 结果表明，K1处理显著提高了籽粒产量，其中K1M2组合综合表现相对更优。两年平均结果显示，相对于K0，K1处理使籽粒产量提高26.55%，且产量与K2处理相当。在K1条件下，M2处理较M1处理进一步增产6.21%。此外，K1M2处理显著提升了叶面积指数和叶绿素含量，同时改善了加工和外观品质，降低了垩白度和直链淀粉含量。 讨论： 这些发现为提升水稻产量与籽粒品质、推动四川丘陵地区水稻绿色优质高效栽培提供了理论与实践依据。

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一、研究背景与科学问题

水稻是全球最重要的粮食作物之一，其高产优质生产对保障国家粮食安全和农业可持续发展至关重要。然而，在实际生产中，农田养分投入结构失衡问题十分突出：氮、磷、钾等大量元素过量施用与镁等中量元素供应不足并存，严重制约了产量与品质的协同提升。钾和镁离子在土壤中存在拮抗作用，过量施钾会抑制水稻正常生长发育，降低作物产量并造成肥料资源浪费。钾是水稻生长的必需元素，适量施钾可促进分蘖、提高功能叶叶绿素含量、增强光合产物合成与转运、增加有效穗数和千粒重等产量构成因子，并改善稻米加工与营养品质。然而，我国钾肥年施用量占全球总量的20%以上，但钾易从土壤中淋失，利用率仅为30%–50%。适当减钾可在保持产量稳定的同时实现资源高效利用。镁作为植物生长的必需中量矿质营养元素，参与叶绿素合成、光合作用、光合产物转运及能量代谢等过程。然而，农业生产中长期存在重氮磷钾、轻镁肥的倾向，导致作物普遍缺镁，进而引起减产和品质下降。研究表明，适量施镁可通过提高结实率、千粒重和有效穗数来增加水稻产量，同时降低直链淀粉含量从而改善食味品质。钾镁平衡施肥是实现水稻高产优质的关键因素，但现有研究多聚焦于单一钾或镁肥的独立效应，对减钾条件下增施镁如何调控水稻干物质动态、产量形成和籽粒品质的系统性研究仍十分有限。为此，研究人员设置了三种钾镁肥用量组合，系统研究了减钾增镁对水稻生长、产量形成和品质的影响，旨在实现水稻产量与品质的协同提升，为高产、优质、环境友好的水稻栽培提供指导。

二、主要技术方法

研究人员于2024–2025年生长季在四川省绵阳市西南科技大学农业试验站（31.531°N，104.700°E）开展田间试验，供试品种为B优33。采用两因素裂区设计，主区设3个钾肥水平（K0: 0 kg/ha，K1: 120 kg/ha，K2: 180 kg/ha），副区设3个镁肥水平（M0: 0 kg/ha，M1: 30 kg/ha，M2: 60 kg/ha），每处理3次独立田间重复。钾肥为氯化钾（K₂O 60%），按基肥:分蘖肥:穗肥 = 5:3:2施用；镁肥为硫酸镁（MgO 16%），按基肥:穗肥 = 5:5施用；氮肥为尿素（N 46%），施用量180 kg/ha，按基肥:分蘖肥:穗肥 = 5:3:2施用；磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 12%），施用量90 kg/ha，全部作基肥一次施用。测定了叶面积指数、干物质积累量、叶绿素含量、产量及其构成因子、稻米加工品质、外观品质、直链淀粉含量及RVA特征值等指标。数据采用Microsoft Excel 2016整理，DPS 7.05软件进行两因素方差分析，采用最小显著差数法进行多重比较。

三、主要研究结果

3.1 减钾增镁对水稻分蘖动态的影响

钾处理和镁处理对水稻分蘖动态均有显著或极显著影响。钾镁交互作用在移栽后28、35和49天对分蘖数有极显著影响。K1M2处理在整个生育期分蘖数最高，移栽后35天达到峰值，显著高于其他处理6.7%–31.7%。在同一施镁量下，分蘖数随施钾量增加呈先升后降趋势，总体表现为K1 > K2 > K0。在同一施钾量下，施镁显著增加了分蘖数，表现为M2 > M1 > M0。

3.2 减钾增镁对水稻叶面积指数的影响

钾处理、镁处理及钾镁交互作用对两年齐穗期叶面积指数均有显著或极显著影响。同一施镁量下，齐穗期叶面积指数随施钾量增加呈先升后降趋势，K1处理显著高于K2处理14.10%–21.40%。同一施钾量下，除K2处理外，叶面积指数随施镁量增加而升高，K1条件下M2处理比M1高3.0%–3.9%。

3.3 减钾增镁对水稻叶绿素含量的影响

除抽穗后0天外，钾和镁施用对抽穗后各时期水稻叶片叶绿素含量均有显著或极显著影响。所有处理叶绿素含量随生育进程推进呈持续下降趋势。K1M2处理在所有取样日期均表现出最高的叶绿素含量，比其他处理高1.1%–16.5%。同一施镁量下，施钾处理叶绿素含量显著高于不施钾处理，总体为K1 > K2 > K0。同一施钾量下，增加施镁量显著提高了抽穗后叶绿素含量，总体为M2 > M1 > M0。低钾低镁组合K0M0叶绿素降解速率最快。

3.4 减钾增镁对水稻干物质积累与转运的影响

钾处理、镁处理及钾镁交互作用对水稻地上部干物质积累均有显著或极显著影响。K1M2处理在齐穗期和成熟期均获得最高干物质积累量，分别比其他处理高5.98%–43.35%和3.15%–40.20%。茎叶干物质转运量、转运率和籽粒贡献率均受钾镁水平极显著影响。同一施镁量下，转运量、转运率和籽粒贡献率均表现为K1 > K2 > K0。同一施钾量下，转运量和籽粒贡献率随施镁量增加而升高，表现为M2 > M1 > M0。K1M2处理表现出较高的干物质转运能力和最优的转运物质分配。

3.5 减钾增镁对水稻产量、产量构成因子及钾镁肥料农学利用率的影响

钾和镁的主效应对籽粒产量有极显著影响。同一施镁量下，产量表现为K1 > K2 > K0。同一施钾量下，产量随施镁量增加而升高，表现为M2 > M1 > M0。两年平均，K1较K0增产26.55%，K1与K2间无显著差异，M2较M1增产6.21%。在产量构成方面，K1处理的有效穗数比K2高2.83%–9.72%；M2处理在K1条件下显著提高了千粒重。钾镁配施有助于增加有效穗数和穗粒数，从而促进增产。在肥料农学利用率方面，同一施钾量下，施镁提高了钾的农学利用率，K1水平的钾农学利用率总体上高于K2水平；同一施镁量下，镁肥农学利用率表现为K1 > K2 > K0。

3.6 减钾增镁对稻米品质的影响

钾处理和镁处理对糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度和直链淀粉含量均有显著或极显著影响，钾镁交互作用对这些品质性状无显著影响。K1M2处理的糙米率、精米率和整精米率在所有处理中最高，垩白粒率、垩白度和直链淀粉含量最低。与K1M1相比，K1M2处理的整精米率提高1.05%–1.34%，垩白粒率降低3.24%–8.40%，直链淀粉含量降低9.48%–13.25%。在RVA特征值方面，钾镁交互作用对峰值粘度和崩解值有显著或极显著影响。K1M2处理的峰值粘度和崩解值在所有处理中最高，分别比其他处理高2.69%–19.08%和12.19%–43.07%。

3.7 减钾增镁对水稻经济效益的影响

同一施钾量下，随着施镁量增加，水稻产量、产值和净利润均呈显著上升趋势；同一施镁量下，K1处理的经济效益整体优于K2处理。K1M2处理的净利润最高，达16870.42 yuan/hm²，较K2M2处理提高6.08%，较K1M0处理提高36.68%。

四、讨论与结论

本研究表明，减钾增镁（K1M2处理，即施钾120 kg/ha配施镁60 kg/ha）能够显著改善水稻群体质量，包括提高叶面积指数、延缓叶绿素降解、增加干物质积累与转运效率，进而通过优化有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重等产量构成因子来实现增产。同时，该处理还显著提升了稻米的加工品质（糙米率、精米率、整精米率）、外观品质（降低垩白粒率和垩白度）和蒸煮食味品质（降低直链淀粉含量、提高崩解值和峰值粘度）。在经济层面，K1M2处理也获得了最高的净利润。值得注意的是，钾镁交互作用在产量和RVA特征值上的显著性表明，镁对水稻生理过程的调控依赖于钾的供应水平，过量施钾会因阳离子竞争吸收而削弱镁的功能。因此，将钾肥从常规水平（180 kg/ha）降至120 kg/ha并配施60 kg/ha镁肥，是实现四川丘陵区水稻高产、优质、高效和环境友好生产的推荐施肥方案。该研究为提升水稻产量与籽粒品质、推动四川丘陵地区水稻绿色优质高效栽培提供了理论与实践依据。